王保盛
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摘要：现如今，我国的经济在迅猛发展，社会在不断进步，随着电动汽车的推广使用，直流电能表用于电动汽车充电电量或电池放电电量的贸易结算已成为必然趋势。本文简要介绍了直流电能表的相关技术规范及计量原理，研制了高电压、大电流直流电能表检定装置，详细介绍了检定装置的原理及相关技术。检定装置用于直流电能表的检定工作取得了良好的效果。
关键词：电动汽车；直流电能表；检定装置
引言
直流电能表是针对直流屏、太阳能供电、电信基站、地铁等应用场合而设计的，已广泛用于太阳能电池板、直流电源等直流信号设备的电能值测试中，但其测量的电压电流范围往往较小，并很少作为贸易结算的依据。随着国民经济的发展，对交通工具的节能环保的要求日益迫切。以蓄电池为动力的电动汽车由于节能环保的特性，作为国家新能源战略的重要组成部分，正在越来越广泛的成为一种新型的交通工具。电动汽车充电站内的计量器具能否符合法定管理要求直接关系到贸易结算的公平公正以及我国电动汽车产业的发展。目前，对电动汽车充放电所用的计量检测技术还不成熟，对电动汽车充电桩的计量，最常用的还是在整流前采用交流电能表进行计量，该方法的缺陷在于不可避免的带入整流所造成的误差，并会将整流时带来的电能损耗算在用户侧，增加用户用电费用。因此为了避免给用户带来不必要的损失，在直流侧直接进行直流电能的计量是一种更为可取的方式。而非车载的直流充电机也只能采取这种方式。针对电动汽车充电过程中电压电流范围比较宽的特点，与普通的直流电能表计量相比，对工作于电动汽车充电站的直流电能表的计量提出了更高的要求。
1装置的工作原理
该装置主要由直流电压源、直流电流源、小信号电压源、直流标准电能表、时钟测试仪、通讯单元、PDA、ARM误差仪和PC机检定软件等组成，各功能模块采用独立设计。工作原理如下。PC机根据方案中的测试负载点计算测试圈数和理论脉冲数，再通知多通道直流标准表进行电压、电流和电能档位切换，然后给直流电压源和直流电流源发送升源命令，当电压源、电流源升源稳定后，读取多通道直流标准表的电压、电流测量值并反馈到直流电压源和直流电流源对输出值进行修正，确保源输出准确。直流电压、电流源修正完成后，PC机再给误差仪发送测试圈数和理论脉冲数并执行误差测试命令，误差命令开始后误差仪不断累计被检表脉冲数，当累计的脉冲数与测试圈数相同时，误差仪计算被测表电能误差供PC机读取，当所有表位该负载点电能误差测试完成后，PC机通知直流电压电流源、直流标准表和误差仪逐步执行后续负载点命令，即可自动完成测试方案中所有负载点的电能误差测试。
2直流电能表检定
2.1电源模块
检定装置的电源包括程控电压源、程控电流源。开关电源提供的电压，经功放由变压器升压，得到相应量程的电压输出。其中，最大输出电压１ １００ Ｖ，最大输出功率２５ ＶＡ。电流源亦为开关电源，最大输出电流５００ Ａ。本装置采用的开关电源都具有程控调节输出电压的功能，可由ＣＰＵ调节开关电源的输出使负反馈达到平衡。
2.2检定装置设计参数
根据现场安装使用的直流电能表的测量范围，直流电能表检定装置设计参数如下；（1）输出电压：考虑到直流电能表额定电压的宽量限，输出电压范围为DC（125~1000）V，纹波含量≤10mV（有效值）。（2）输出电流：输出电流需涵盖常用直流电能表检定时所需的负载电流点。
目前实际使用的直流电能表的最大额定电流为600A，因此输出电流最大值为600A。常用直流电能表的最小额定电流为20A，考虑到起动试验和研究工作的需要，输出电流最小值设定为20A×0.1%=20mA。即输出电流范围为20mA至600A。（3）准确度等级：目前直流电能表的准确度等级一般为1级或2级，为了在满足直流表检定工作的同时，又可用于直流电能计量的研究工作，检定装置的准确度等级确定为0.05级。（4）输出稳定度：参照JJG597—2005《交流电能表检定装置》检定规程，输出稳定度需满足0.02%/120s的要求。
2.3实验原理
本实验系统的原理为：由高精度多功能校准器FLUKE5720提供的毫伏信号计算出经过分流器之前接入电能表的电流值，再乘以DO30-E+型多功能校准仪提供的电压值，得到提供给电能表的功率值。采用虚负荷方式工作的电能表检验台PTC-8320M设置为单相校验模式，并将A相电流端用短接片短接起来，使其输出对应的功率值。电能表校验的核心原理就是将功率转化为固定频率的脉冲数的输出，一定时间内累计的脉冲个数即代表了这段时间内累积的电能值，因此将电能值的比较转化为脉冲数的比较。理论上，如果功率恒定不变，则一定时间内累计的脉冲数也为一恒定值，即功率与脉冲常数的乘积应该为一恒定值。因此本次实验采用在一定的时间内比较脉冲数的方法，即电能表脉冲常数与电能表所测直流功率的乘积和电能表校验台脉冲常数与电能表校验台功率乘积相比较的原理，利用电能表检验台的误差计算器，即在标准电能表与被测电能表都在连续工作的情况下，用被测电能表输出的脉冲控制标准电能表计数来确定被测电能表的相对误差。累积比较脉冲数的时间段取决于电能表校验台所设圈数，所设圈数越多，该时间越长，则测试精度越高。
2.4直流电流源（0.02级）
直流电流源既可直接输出直流电流600A，也可模拟分流器输出0~100mV小电压信号，输出准确度优于0.02%，主要由ARM系统、功率放大器、采样反馈CT(直流互感器)和进口电源模块组成。本电流源的开关电源采用进口军用级IC芯片，功率开关管采用进口快速IGBT，电源输出容量大、体积小、可靠性高；电流源的反馈取样技术不同于常规的采用分流器或霍尔传感器取样，而是通过直流比较仪取样进行反馈，直流电流比较仪作为直流电流传感器，具有准确度高、稳定性好，受环境温、湿度影响小等优点，采用直流比较仪技术可减少源输出回路因温度变化或负载变化引起电流的变化，保证直流电流准确和稳定的输出。本直流电流源采用5V大功率可程控开关电源给功率管供电，无论输出电流和外接负载多大CMOS管压降始终维持恒定。管压降检测电路实时监测CMOS管压降，信号调节电路根据实测CMOS管压降实时调整可程控开关电源输出幅值，确保管压降维持在一个相对恒定的水平，从而可以保证功率管无论在空载或满载负荷条件下发热量保持一致，提高CMOS管工装可靠性。
3 结语
本文介绍了一种全新的直流电能表校验方法，即用现有的传统的三相电能表校验装置作为误差比较器进行校验，与传统方法进行了比较，并对测量结果进行了不确定度分析。结果表明，所用实验系统的设计符合计量检定规程的要求，并用实验数据证明了该方法的可行性，数据准确可靠。在当前专用的直流电能表校验装置技术尚不成熟，并且普遍价格昂贵的背景下，这种利用传统装置的校验技术既大大节约了成本，又克服了瓦秒法中人为控制带来的较大的不确定度，在直流电能表的法制计量以及研发阶段的调试、试验过程中都具有广阔的应用前景。此方法可以推动电动汽车充电桩直流电能表计量工作在国内的发展，为我国的节能环保事业做出贡献。
参考文献：
[1]国家质量监督检验检疫总局.JJG596-2012，电子式交流电能表[S].北京：中国质检出版社，2012.
[2]国家技术监督局.JJG842-1993，直流电能表检定规程[S].北京：中国计量出版社，1993.